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EMC噪聲的本質(zhì)

發(fā)布時間:2024-05-09 責任編輯:lina

【導讀】頻譜是將電磁波分解為正弦波分量,并按波長順序排列的波譜,就是將具有復雜組成的東西分解(頻譜分析儀)為單純成分,并把這些成分按其特征量的大小依序排列(部分不計),橫軸作為頻率,縱軸作為功率或電壓。


頻譜的含義


頻譜是將電磁波分解為正弦波分量,并按波長順序排列的波譜,就是將具有復雜組成的東西分解(頻譜分析儀)為單純成分,并把這些成分按其特征量的大小依序排列(部分不計),橫軸作為頻率,縱軸作為功率或電壓。


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-1:頻譜的定義


從圖1-1可以看到,數(shù)字波形是由多種頻率疊加而形成的,示波器和頻譜儀分別從兩個視角獲得一個數(shù)字波形的不同信息,示波器獲得bit信息,頻譜儀獲得頻譜信息或者能量信息。


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-2:示波器角度的數(shù)字波形

在圖1-2表示開關信號的脈沖波形中,包括tw(脈沖寬度)和ts(上升/下降時間)。


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-3:連續(xù)化的頻譜圖


圖1-3是基于傅里葉變換的理論上的脈沖波形頻譜,這是一個連續(xù)化頻譜,振幅隨著頻率的升高而衰減,衰減斜率隨著tw和ts而變化。藍色線表示脈沖的ts變慢后的頻譜變化,斜率變?yōu)?40dB/dec 時的捕獲.JPG頻率降低(向左偏移),最終結果是其后的振幅減少,即當ts延遲時頻譜的振幅衰減,頻譜下降。


影響頻譜的因素


對于信號波形的變化,頻譜將以怎樣的趨勢變化,使用實際的頻譜分析儀數(shù)據(jù)來分析頻率等其他參數(shù)變化時的頻譜變化。這里將通過實際的DC-DC的開關相關的頻譜來分析并解決EMC問題時所需要的理論知識。圖1-4中的圖形是初始條件下的數(shù)據(jù):

振幅=10V,頻率=400kHz,Duty=50%,tr/tf=10ns。

中間的圖表示n次諧波和振幅(V)的關系,1倍的頻率=基波,400kHz的分量最大,以奇數(shù)倍的頻率形成頻譜。僅產(chǎn)生奇次諧波是Duty為50%(=1:1)的頻譜特征,各分量的大小為基波分量的1/次數(shù),例如3次諧波分量為1/3,n次諧波分量為1/n。

最下面的圖是振幅為EMC噪聲的本質(zhì)的對數(shù)曲線圖,EMC噪聲的本質(zhì)是基于以1EMC噪聲的本質(zhì)電壓為基準的電壓比的dB 值(1=0dBEMC噪聲的本質(zhì))。



EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-4:初始波形


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-5:將頻率提高到2MHz


圖1-5是將頻率提高到2MHz時的頻譜,從頻率--振幅(EMC噪聲的本質(zhì))關系圖可以明確看出,當基波頻率增高時,整個頻譜會向右(頻率高的一側)偏移。


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-6:tr和tf的速度都減慢為100ns


圖1-6是tr和tf的速度都減慢為100ns時的頻譜,由于進入-40dB/dec衰減時的頻率降低,因此高次諧波的頻譜振幅衰減。

EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-7:將Duty從50%變?yōu)?0%


圖1-7是將Duty從50%變?yōu)?0%時的頻譜,由于Duty不是1:1,因此會產(chǎn)生偶次諧波,但峰值基本上沒變化,隨著脈沖寬度tw變窄,基波頻譜的振幅衰減。

EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-8:僅將tr(上升時間)減慢


圖1-8是僅將tr(上升時間)減慢時的頻譜,tr相關的高次諧波分量因tr變慢而衰減。即僅上升速度減慢 ? 上升分量相關的高次諧波衰減??偠灾敾l率較低且上升/下降較慢時,諧波頻譜會衰減,從EMC的角度來看,也就是頻譜的振幅較低時更有利。


小結:

高頻化--->頻譜整體增加

上升/下降速度減緩--->低頻段衰減-40dB/dec

Duty變更--->發(fā)生偶數(shù)次高次諧波,但對頻譜的峰值無影響,基波下降

僅上升速度減緩--->上升成分在低頻段衰減

頻率越低--->上升/下降越慢,頻譜越低

EMC概念定義


EMC(Electromagnetic Compatibility),電磁兼容性,即不對其它設備產(chǎn)生電磁干擾,并且受到來自其它設備的電磁干擾時,系統(tǒng)運行不受影響,仍保持原有的性能。EMI(Electromagnetic Interference),電磁干擾,由于IC工作產(chǎn)生噪聲EMI,給周邊IC和系統(tǒng)帶來干擾或者干擾性的電磁波,所以需要設計不產(chǎn)生EMI的電路。


EMS(Electromagnetic Susceptibility),電磁干擾敏感度或電磁敏感性,即使受到EMI影響也不會造成干擾的能力與耐受性,需要設計能承受EMI的可靠性電路。測試領域里面EMI分為兩種,傳導噪聲(Conducted Emission)和輻射噪聲(Radiated Emission)。


傳導噪聲是指經(jīng)由線體或PCB板布線傳導的噪聲,輻射噪聲是指排放(輻射)到環(huán)境中的噪聲。對于這些噪聲,EMS中分別都有耐受性要求,稱為傳導抵抗力(Conducted immunity)和輻射抵抗力(Radiated immunity)它們的關系如下:


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-9:EMC分支


輻射機理


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-10:交直流對比


處在直流狀態(tài)的電信號,f=1/T,T足夠長,可以理解其基頻信號頻率為0,那么它的各種奇次偶次諧波也是0,即沒有高頻信號,只會產(chǎn)生磁通。而處在交流狀態(tài)的電信號,會產(chǎn)生不斷變化的磁場,不斷變化的磁場又會產(chǎn)生不斷變化的電場,循環(huán)這一過程,引入位移電流的概念,就是輻射的核心機理。

EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-11:數(shù)字波形高頻含量輻射


從板級的角度考慮,頻率越高的噪聲,波長越短,所需的輻射天線越小,就越容易輻射到空氣中,這也是高速信號需要屏蔽的根據(jù)之一。

EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-12:位移電流概念


EMC噪聲的本質(zhì)

圖1-13:探測輻射的過程


對于輻射值的標準,各個領域,各個國家依據(jù)的標準都不一樣,世界通用標準是CISPR,而日本:VCCI Class、美國:FCC、歐洲:EN,還有就是把CISPR作為基準來自定義設定規(guī)定值,各個標準依據(jù)電子產(chǎn)品的不同細分為各種子標準。

文章來源:EDN電子技術設計


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